14709第3章-物 理 层.pptVIP

第3章 物 理 层 3.1 物理层的基本概念 用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。 可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即： （1）机械特性。 （2）电气特性。 （3）功能特性。 （4）规程特性。 在物理连接上的传输方式一般都是串行传输，即一个比特一个比特地按照时间顺序传输。但是，有时也可以采用多个比特的并行传输方式。 3.2 数据通信的基础知识 　3.2.1 数据通信系统的模型 两个PC机经过普通电话机的连线，再经过公用电话网进行通信。 　　如图3-1所示，一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统(或发送端)、传输系统(或传输网络)和目的系统(或接收端)。 　　源系统一般包括以下两个部分： （1）源站。 （2）发送器。 　　目的系统一般包括以下两个部分： （1）接收器。 （2）目的站。 数据(data)是运送信息的实体，而信号(signal)则是数据的电气的或电磁的表现。无论数据或信号，都可以是模拟的或数字的。所谓“模拟的”就是连续变化的，而“数字的”就表示取值是离散的。 　　因此，数字数据(digital data)就是用不连续形式表示的数据。 将数字数据转换为模拟信号的过程叫作调制。 一般说来，模拟数据和数字数据都可以转换为模拟信号或数字信号。因此我们有以下四种情况： （1）模拟数据、模拟信号。 （2）模拟数据、数字信号。 （3）数字数据、模拟信号。 （4）数字数据、数字信号。 　　图3-2给出了模拟的和数字的数据、信号的示意图。 　3.2.2 有关信道的几个基本概念 从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式。 （1）单向通信： 　　又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。 （2）双向交替通信： 　　又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后再反过来。 （3）双向同时通信： 　　又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。 有时也常用“单工”这个名词表示“双向交替通信”。 　　信道可以分成传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类。但应注意，数字信号在经过数模变换后就可以在模拟信道上传送，模拟信号在经过模数变换后也可在数字信道上传送。 　　信道上传送的信号还有基带(baseband)信号和宽带(broadband)信号之分。 　3.2.3 信道上的最高码元传输速率 图3-3给出了一个数字信号通过实际的信道和质量很差的信道时的输出波形。 奈奎斯特(Nyquist)推导出在理想低通信道下的最高码元传输速率的公式： 理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud (3-1) 　　这里W是理想低通信道①的带宽，单位为赫(Hz)； Baud是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。 　　式(3-1)就是著名的奈氏准则。奈氏准则的另一种表达方法是：每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。 对于具有理想带通矩形特性的信道②(带宽为W)，奈氏准则就变为： 理想带通信道的最高码元传输速率 = W Baud (3-2) 　　即每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率为每秒1个码元。 强调以下两点： （1）一个实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出的这个上限数值。 （2）波特是码元传输的速率单位，它说明每秒传多少个码元。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。 比特是信息量的单位，与码元的传输速率“波特”是两个完全不同的概念。 　3.2.4 信道的极限信息传输速率 信道的极限信息传输速率C可表达为 C = W log2(1+S/N)bit/s 　 　　　　　　　　　　　　　　　　(3-3) 　　其中：W为信道的带宽(以Hz为单位)； S为信道内所传信号的平均功率； N为信道内部的高斯噪声功率。 　　式(3-3)就是著名的香农公式。香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。 由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高信息的传输速率，就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量。这就需要采用多元制(又称为多进制)的调制方法。 图3-4说明了奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围。 3.3 物理层下面的传输媒体 传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发